CN103149583A - 一种地震转动加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震转动加速度计，包括外壳、底板，外壳内部设有轮辐式质量弹簧装置、两组对称反向安装的摆式差动电容换能器、两组动圈式阻尼器、电路板，轮辐式质量弹簧装置位于两组摆式差动电容换能器中间，两组摆式差动电容换能器分别包括外动极板、内动极板和固定极板，电路板包括两个电容电压变换电路、两个调理电路、合成电路、两个阻尼调节电路。本发明结构紧凑、设计合理，监测精度高，可靠性好，适用范围广。

Description

一种地震转动加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度计，特别是涉及一种用于强地震观测的基于轮辐式质量弹簧装置的双差容式地震转动加速度计。

背景技术

目前，公知的强震观测使用的是三分向加速度计，获得的加速度往往被认为是东西、南北和铅垂向三个平动的振动，实际上地震时刚体在一点的完整运动特性还包括转动，需要测量6个自由度震动，即三个平动和三个转动，尤其是近场地震动，转动分量更加明显。目前在多次大地震中均发现转动破坏的现象，例如在细长高耸的建筑(如烟筒、方尖碑、雕像等)中出现了较多转动破坏。大量研究也发现在结构地震反应中，转动分量在结构构件中可以产生很大的剪力和弯矩，扭转分量和摇摆分量对结构反应的贡献非常大，然而由于缺乏转动分量记录等原因，许多国家在结构的抗震设计中都未考虑转动作用。目前国内外尚无地震转动加速度计的产品，而用于航天的惯导六自由度测量系统，测得的转动量为角速度，直接用于地震转动加速度测量还存在很多技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构紧凑、设计合理，可靠性高，监测精度好的可测量地震转动加速度的地震转动加速度计。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括外壳、底板，所述的外壳内部设有轮辐式质量弹簧装置、两组对称反向安装的摆式差动电容换能器、两组动圈式阻尼器、电路板，所述的轮辐式质量弹簧装置包括中轴、质量分布均匀的质量环、内环，位于两组摆式差动电容换能器中间，通过中轴下端与底板相连，通过质量环与两个摆座连接，所述的质量环与内环通过2-8个参数相同、对称安装的弹簧片连接，内环固定安装在中轴上端，所述的两组摆式差动电容换能器分别包括外动极板、内动极板和固定极板，外动极板、内动极板与摆架一端连接，摆架的另一端与摆座相连，所述的两组动圈式阻尼器分别包括动圈、轭铁、极靴、磁钢、定位套和磁路后盖，通过轭铁下端按对称反向安装在磁路座上，磁路座固定在底板上，轭铁的前端通过套管与摆式差动电容换能器的固定极板相连，所述的动圈上端分别与外动极板、内动极板、摆架相连，下部伸入到由圆柱形极靴的外侧和轭铁上部内侧形成的磁缝隙中，所述的电路板包括两个电容电压变换电路、两个调理电路、合成电路、两个阻尼调节电路，每组摆式差动电容换能器的外动极板、内动极板和固定极板分别与一个电容电压变换电路输入端连接，电容电压变换电路的输出端接调理电路的输入端，两个调理电路的输出端连接合成电路，合成电路用于把平动分量消除，把转动分量合成后输出与地震转动加速度成正比的电压信号，每组动圈式阻尼器中的动圈对应一个阻尼调节电路，并相互连接，提供加速度计所需要的阻尼比。

本发明的优点是：

1、结构紧凑、设计合理，在一个壳体内实现了基于轮辐式质量弹簧式双摆电容换能的功能；

2、利用电容电压变换电路、调理电路、合成电路消除了地震平动加速度，实现了地震转动加速度的测量，监测精度高，可靠性好；

3、适用范围广，可广泛用于地震转动加速度的观测和土木工程结构的转动测量。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的电器原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

由图1-图4可知，本发明包括外壳21、底板16，所述的外壳21内部设有轮辐式质量弹簧装置31、两组对称反向安装的摆式差动电容换能器30、两组动圈式阻尼器32、电路板23，所述的轮辐式质量弹簧装置31包括中轴1、质量分布均匀的质量环2、内环3，位于两组摆式差动电容换能器30中间，通过中轴1下端与底板16相连，通过质量环2与两个摆座6连接，所述的质量环2与内环3通过2-8个参数相同、对称安装的弹簧片4连接，内环3固定安装在中轴1上端，所述的两组摆式差动电容换能器30分别包括外动极板12、内动极板13和固定极板11，外动极板12、内动极板13与摆架7一端连接，摆架7的另一端与摆座6相连，所述的两组动圈式阻尼器32分别包括动圈17、轭铁10、极靴18、磁钢19、定位套20和磁路后盖9，通过轭铁10下端按对称反向安装在磁路座8上，磁路座8固定在底板16上，轭铁10的前端通过套管14与摆式差动电容换能器30的固定极板11相连，所述的动圈17上端分别与外动极板12、内动极板13、摆架7相连，下部伸入到由圆柱形极靴18的外侧和轭铁10上部内侧形成的磁缝隙中，所述的电路板23包括两个电容电压变换电路25、两个调理电路26、合成电路27、两个阻尼调节电路28，每组摆式差动电容换能器30的外动极板12、内动极板13和固定极板11分别与一个电容电压变换电路25输入端连接，电容电压变换电路25的输出端接调理电路26的输入端，两个调理电路26的输出端连接合成电路27，合成电路27用于把平动分量消除，把转动分量合成后输出与地震转动加速度成正比的电压信号，每组动圈式阻尼器32中的动圈17对应一个阻尼调节电路28，并相互连接，提供加速度计所需要的阻尼比。

所述的弹簧片4的个数为4个。

所述的内环3通过固定螺丝5与中轴1的上端固定连接。

所述的固定极板11位于外动极板12和内动极板13之间。

所述的外壳21上方设有把手22，侧面设有输出插座24，输出插座24与电路板23的合成电路27、两个阻尼调节电路28连接。

所述的定位套20套接在轭铁10内部，轭铁10后端设有磁路后盖9，定位套20内部、极靴18后端套接有磁钢19。

所述的底板16上还通过支撑套管29安装有支脚15。

本发明轮辐式质量弹簧装置31可以主要由质量分布均匀的质量环2、4个参数相同对称安装的弹簧片4、内环3组成，4个弹簧片的每一端与质量环2相连，另一端与内环3相连，内环3通过固定螺丝5与中轴1的上端相连，中轴1的下端与底板16相连。轮辐式质量弹簧装置31悬挂于外壳21内。

在质量环2的两侧对称反向安装了参数相同的两个摆式差动电容换能器30，摆式差动电容换能器30由外动极板12、内动极板13和固定极板11组成，每个摆架7的一端分别通过摆座6与质量环2相连，每个摆架7另一端分别与两组反向安装的差动电容的外动极板12、内动极板13和动圈17相连，每个差动电容的固定极板11分别通过套管14与两个对称反向安装的轭铁10相连，两个轭铁10分别与反向安装的磁路座8相连，磁路座8固定在底板上16。

动圈式阻尼器32是由两个参数相同对称反向安装的磁路系统、动圈17和阻尼调节电路28组成，每个磁路系统是由轭铁10、极靴18、磁钢19、定位套20和磁路后盖9组成，并按正反向安置在磁路座8上。两个圆柱形极靴18的外侧和轭铁10上部内侧之间分别形成一磁缝隙，两个对称反向安装的动圈17上端分别与外动极板12、内动极板13、摆架7相连，动圈的下部置于两个对称反向安装的磁路系统的磁缝隙中。动圈17的输出和阻尼调节电路28相连，提供满足地震转动加速度计所需要的阻尼比。

电路板23是由两个参数相同的电容电压变换电路25、两个参数相同的调理电路26、一个合成电路27、两个参数相同的阻尼调节电路28组成。

由两组外动极板12、内动极板13和固定极板11组成的两个差动电容器分别依次与两个参数相同的电容电压变换电路25、调理电路26相连，组成对称、参数相同反向安装的两个摆式电容换能加速度计。两个参数相同对称反向安装的动圈17的输出分别与两个阻尼调节电路28相连，提供两个摆式电容换能加速度计所需要的阻尼比。两个摆式电容换能加速度计的输出通过两个调理电路26同时输入给合成电路27，合成电路27把平动分量消除，把转动分量合成后输出与地震转动加速度成正比的电压信号u₀。形成地震转动加速度计。地震转动加速度计通过输出插座24可与任何记录器(或数据采集器)连接，获得地震转动加速度时程曲线。

底板16是一长条形铝板，底板上安装3个支脚15、输出插座24，底板中部安装中轴1、两个对称反向的磁路座安装在底板16的两端，密封外壳21安装在底板16上。

下面详述其工作原理和过程：

地震转动加速度计基本原理可用图1、图2和图4来描述。在进行地震观测时，地震转动加速度计底板16固定在观测点上，当地震震动时，地震平动加速度

和转动加速度

同时作用在底板上，与底板16相连的磁路系统、中轴、外壳同时跟随底板同步震动，由质量环2、摆架7、外动极板12、内动极板13和动圈17组成的运动部分相对于中轴1产生相对转角，安装在两个摆架7上的两个动圈17相对于两个磁路的磁缝隙都产生相同的相对运动，两个动圈17都在各自的磁缝隙中切割磁力线产生感应电动势，各自产生的电动势分别输入给各自的阻尼调节电路28得到转动加速度计所需阻尼；安装在两个摆架上的外动极板12、内动极板13相对于固定极板11都产生相同的相对位移，即是两组差动电容极板之间的间隙变化。极板间隙的变化导致差动电容器的电容变化。差动电容器电容的变化依次经过电容电压变换电路25和调理电路26后，得到与地面运动(平动和转动)加速度成正比的输出电压，构成一电容换能(平动和转动)加速度计。

每个电容换能加速度计的运动微分方程为：

式中K₁为转动惯量，b为阻尼力系数，k为角刚度，θ为摆角位移，

为地面平动加速度，为地面转动加速度，G₁为电动常数，i为流入动圈的电流，l₀为折合摆长。当忽略空气阻尼时，方程(1)平动和转动分量的解分别为

平动分量的解为 ${\mathrm{\θ}}_x=-\frac{s^{2}X}{l_0}\·\frac{1}{(s^2+2\mathrm{Dns}+n^2)}---\left(2\right)$

转动分量的解为

$n^2=\frac{k}{K_1}$

s算子，n为自振圆频率，D为阻尼比，D的大小由阻尼电路调节。每个加速度计正比于平动分量的输出电压为

$u_{0x}=K_{c}x=K_c{L}_K\mathrm{\θ}=-K_c{V}_0\frac{s^{2}X}{(s^2+2\mathrm{Dns}+n^2)}---\left(4\right)$

式中K_c为电容换能灵敏度，L_K为指示摆长，x为动极板相对于固定极板的相对位移。

由式(4)可以看出，加速度计的输出电压u_0x与平动加速度s²X成正比。

每个加速度计正比于摆转分量的输出电压为

由式(5)可以看出，加速度计的输出电压

与转动加速度

成正比。

由于安装在质量环两侧的差动电容加速度计是反向安装，因此在地震时两加速度计的输出电压经过合成电路后，正比于平动加速度的输出电压信号互相抵消，正比于围绕中轴竖向的转动加速度的输出电压相加，合成电路的输出电压为

由式(6)可以看出其输出电压是两个加速度计测量转动加速度时输出电压之和，两加速度计的输出电压经过合成电路后构成地震转动加速度计。

地震转动加速度计的灵敏度为

式中

为地震转动加速度计的频率特性，

此地震转动加速度计可用于地震转动加速度的观测和土木工程结构的转动测量。

Claims (7)

1.一种地震转动加速度计，包括外壳(21)、底板(16)，其特征在于：所述的外壳(21)内部设有轮辐式质量弹簧装置(31)、两组对称反向安装的摆式差动电容换能器(30)、两组动圈式阻尼器(32)、电路板(23)，所述的轮辐式质量弹簧装置(31)包括中轴(1)、质量分布均匀的质量环(2)、内环(3)，位于两组摆式差动电容换能器(30)中间，通过中轴(1)下端与底板(16)相连，通过质量环(2)与两个摆座(6)连接，所述的质量环(2)与内环(3)通过2-8个参数相同、对称安装的弹簧片(4)连接，内环(3)固定安装在中轴(1)上端，所述的两组摆式差动电容换能器(30)分别包括外动极板(12)、内动极板(13)和固定极板(11)，外动极板(12)、内动极板(13)与摆架(7)一端连接，摆架(7)的另一端与摆座(6)相连，所述的两组动圈式阻尼器(32)分别包括动圈(17)、轭铁(10)、极靴(18)、磁钢(19)、定位套(20)和磁路后盖(9)，通过轭铁(10)下端按对称反向安装在磁路座(8)上，磁路座(8)固定在底板(16)上，轭铁(10)的前端通过套管(14)与摆式差动电容换能器(30)的固定极板(11)相连，所述的动圈(17)上端分别与外动极板(12)、内动极板(13)、摆架(7)相连，下部伸入到由圆柱形极靴(18)的外侧和轭铁(10)上部内侧形成的磁缝隙中，所述的电路板(23)包括两个电容电压变换电路(25)、两个调理电路(26)、合成电路(27)、两个阻尼调节电路(28)，每组摆式差动电容换能器(30)的外动极板(12)、内动极板(13)和固定极板(11)分别与一个电容电压变换电路(25)输入端连接，电容电压变换电路(25)的输出端接调理电路(26)的输入端，两个调理电路(26)的输出端连接合成电路(27)，合成电路(27)用于把平动分量消除，把转动分量合成后输出与地震转动加速度成正比的电压信号，每组动圈式阻尼器(32)中的动圈(17)对应一个阻尼调节电路(28)，并相互连接，提供加速度计所需要的阻尼比。

2.根据权利要求1所述的一种地震转动加速度计，其特征在于：所述的弹簧片(4)的个数为4个。

3.根据权利要求1所述的一种地震转动加速度计，其特征在于：所述的内环(3)通过固定螺丝(5)与中轴(1)的上端固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种地震转动加速度计，其特征在于：所述的固定极板(11)位于外动极板(12)和内动极板(13)之间。

5.根据权利要求1所述的一种地震转动加速度计，其特征在于：所述的外壳(21)上方设有把手(22)，侧面设有输出插座(24)，输出插座(24)与电路板(23)的合成电路(27)、两个阻尼调节电路(28)连接。

6.根据权利要求1所述的一种地震转动加速度计，其特征在于：所述的定位套(20)套接在轭铁(10)内部，轭铁(10)后端设有磁路后盖(9)，定位套(20)内部、极靴(18)后端套接有磁钢(19)。

7.根据权利要求1所述的一种地震转动加速度计，其特征在于：所述的底板(16)上还通过支撑套管(29)安装有支脚(15)。

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